https://frosthead.com

Тражите Неутриносе, Природне честице духова

Страшни смо у неутринама. Они су међу најлакшим од два десетака или тако познатих субатомских честица и потичу из свих праваца: од Великог праска који је започео свемир, од експлодирања звезда и, највише од сунца. Они долазе равно кроз земљу брзином светлости, све време, дан и ноћ, у огромном броју. Око 100 трилијуна неутрина пролази кроз наша тела сваке секунде.

Сличан садржај

  • Отварање необичних портала из физике

Проблем физичара је тај што је неутрино немогуће видети и тешко их је открити. Било који инструмент дизајниран за то може се осећати чврстим на додир, али за неутрине, чак је и нехрђајући челик углавном празан простор, толико широк као што је соларни систем комети. Шта више, неутрини, за разлику од већине субатомских честица, немају електрични набој - неутрални су, отуда и име - тако да научници не могу да користе електричне или магнетне силе да их ухвате. Физичари их називају "честицама духова".

Да би ухватили ове недостижне ентитете, физичари су извели неке изузетно амбициозне експерименте. Тако да се неутрини не мешају са космичким зракама (субатомске честице из свемира које не продиру у земљу), детектори се постављају дубоко под земљом. Огромне су постављене у рудницима злата и никла, у тунелима испод планина, у океану и на леду Антарктика. Ови чудно лепи уређаји су споменици одлучности човечанства да научи о универзуму.

Нејасно је које ће се практичне апликације појавити из проучавања неутрина. „Не знамо куда ће то водити“, каже Борис Каисер, теоријски физичар из Фермилаба у Батавији у држави Илиноис.

Физичари делимично проучавају неутрине јер су неутрини тако чудни ликови: чини се да крше правила која природу описују у њеном најосновнијем облику. А ако ће икада физичари испунити наде за развој кохерентне теорије стварности која објашњава основе природе без изузетка, они ће морати да објасне понашање неутрина.

Поред тога, неутрини заинтригирају научнике јер су честице гласници из спољашњих домета универзума, створени насилним експлозијама галаксија и другим мистериозним појавама. „Неутринови ће нам можда моћи да нам кажу ствари које чешће влаге не могу“, каже Каисер.

Физичари су замишљали неутрине много пре него што су их икада пронашли. 1930. године створили су концепт да уравнотеже једначину која се не сакупља. Када се језгро радиоактивног атома распада, енергија честица које емитује мора да буде једнака енергији коју је првобитно садржала. У ствари, научници су приметили да језгро губи више енергије него што су детектори покупили. Дакле, да би узео у обзир ту додатну енергију, физичар Волфганг Паули замислио је додатну, невидљиву честицу коју емитира језгро. "Данас сам учинио нешто врло лоше предложући честицу која се не може открити", написао је Паули у свом часопису. "То је нешто што никако теоретичар никада не би смео учинити."

Експерименталисти су га свеједно почели тражити. У лабораторији за нуклеарно оружје у Јужној Каролини средином 1950-их, ставили су два велика резервоара за воду испред нуклеарног реактора који су, према њиховим једначинама, требали да праве десет билиона неутрина у секунди. Детектор је према данашњим стандардима био сићушан, али је ипак успео да уочи неутрине - три сата. Научници су утврдили да је предложени неутрино уствари стваран; убрзано је проучавање неухватљивих честица.

Десетљеће касније поље се погоршало када је друга група физичара поставила детектор у руднику злата Хоместаке, у месту Леад у Јужној Дакоти, 4.850 метара под земљом. У овом експерименту научници су поставили да посматрају неутрине надгледајући шта се дешава у ретким приликама када се неутрино судари са атомом хлора и створи радиоактивни аргон, што се лако може открити. У језгри експеримента био је резервоар напуњен са 600 тона течности богате хлором, перхлоретилена, течности која се користи за хемијско чишћење. Сваких неколико месеци научници би испрали тенк и извукли око 15 атома аргона, што је доказ о 15 неутрина. Мониторинг се наставио више од 30 година.

Надајући се да ће открити неутрине у већем броју, научници у Јапану водили су експеримент под земљом од 3.300 метара у руднику цинка. Супер-Камиоканде, или Супер-К, како је познато, почео је да ради 1996. Детектор се састоји од 50 000 тона воде у куполастом резервоару чији су зидови прекривени са 13.000 сензора светлости. Сензори детектују повремени плави блиц (сувише слаб да бисмо га видели очи) настао када се неутрино судари са атомом у води и створи електрон. Праћењем тачног пута којим је електрон путовао у води, физичари су могли закључити извор, у свемиру, неутриног судара. Већина су, открили су, дошли од сунца. Мерења су била довољно осетљива да би Супер-К могао да прати сунчев пут преко неба и са скоро миље испод површине земље посматра дан како се претвара у ноћ. „То је заиста узбудљива ствар“, каже Јанет Цонрад, физичарка са Технолошког института у Масачусетсу. Трагови од честица се могу саставити тако да се створи „лепа слика, слика сунца у неутринама“.

Али експерименти Хоместаке и Супер-К нису открили онолико неутрина колико су физичари очекивали. Истраживање у Неутрино опсерваторију Судбури (СНО, изговарано „снег“) утврдило је зашто. Постављен у рудник никла дубоког 6 800 стопа у Онтарију, СНО садржи 1.100 тона „тешке воде“, која има необичан облик водоника који релативно лако реагује са неутриновима. Течност се налази у резервоару обешеном у огромној акрилној кугли која се сама налази у геодетској надградњи, која апсорбује вибрације и на коју су обешени 9 456 сензора светлости - читава ствар изгледа као украс божићног дрвца високог 30 стопа.

Научници који су радили у СНО открили су 2001. године да се неутрино може спонтано пребацити између три различита идентитета - или како физичари кажу, осцилира између три укуса. Откриће је имало запањујуће последице. Као прво, показало се да су претходни експерименти открили много мање неутрина него што је било предвиђено, јер су инструменти били подешени на само једну арому неутрина - ону која ствара електрон - и недостајали су јој они који су се пребацивали. Друго, налаз је срушио уверење физичара да неутрино, попут фотона, нема масу. (Осцилирање између укуса је нешто што само честице са масом могу да ураде.)

Колику масу имају неутрини? Да би то сазнали, физичари граде КАТРИН - експеримент Карутрухе Тритиум Неутрино. КАТРИН-ов пословни крај поседује 200-тонски уређај назван спектрометар који ће мерити масу атома пре и после пропадања радиоактивно - откривајући на колико масе неутрино одлази. Техничари су изградили спектрометар око 250 миља од Карлсрухеа у Немачкој, где ће експеримент радити; Уређај је био превелик за уске путеве региона, па је постављен на чамац на Дунаву и пловио је поред Беча, Будимпеште и Београда, у Црно море, преко Егеја и Средоземља, око Шпаније, преко Енглеског канала, у Ротердам и у Рајну, а затим на југ до речне луке Леополдсхафен, Немачка. Тамо је истоварен на камион и пројурио кроз град до одредишта, два месеца и 5.600 миља касније. Планирано је да започне прикупљање података у 2012. години.

Физичари и астрономи заинтересовани за информације које могу да носе неутрини из свемира око супернова или сударајућих галаксија поставили су неутринске „телескопе“. Један, назван ИцеЦубе, налази се унутар леденог поља на Антарктику. Када буде завршен, 2011. године састојат ће се од више од 5.000 сензора плаве свјетлости (види горњи дијаграм). Сензори нису усмерени према небу, као што можда очекујете, већ ка земљи, да би открили неутрине сунца и свемира који кроз планету долазе са севера. Земља блокира космичке зраке, али већина неутрина пролази кроз планету широку 8000 километара као да је није било.

Неутрино експеримент на велике удаљености се одвија у неколико држава Средњег Запада. Високоенергетски акцелератор, који ствара субатомске честице, пуца греде неутрина и сродних честица дубоко шест километара, испод северног Илиноиса, преко Висцонсина, у Миннесоту. Честице почињу у Фермилабу, у оквиру експеримента названог Главна убризгавајућа неутрална осцилација (МИНОС). За мање од три хиљаде секунди погодили су детектор у руднику гвожђа Соудан, удаљеном 450 миља. Подаци које су научници прикупили комплицирају њихову слику овог бесконачно минималног света: сада се чини да егзотични облици неутрина, такозвани анти-неутрини, не могу следити иста правила осцилације као остали неутрини.

„Оно што је цоол, “ каже Цонрад, „је да није оно што смо очекивали.“

Када је у питању неутрино, врло је мало.

Најновија књига Анн Финкбеинер, Гранд анд Болд Тхинг, говори о Слоан Дигитал Ски Сурвеи, покушају да се преслика свемир.

Већина неутрина који нас бомбардују долази од сунца, приказаних овде на ултраљубичастој слици. (НАСА) Кавернозни детектор Супер-Камиоканде у Јапану обложен је са 13 000 сензора како би се утврдили знакови неутрина. Радници у чамцу надгледају уређај док се пуни водом. (Опсерваторија Камиока, ИЦРР (Институт за истраживање космичких зрака), Универзитет у Токију) У низу реакција на сунчевом језгру, атоми водоника стварају хелијум фузијом. Процес ослобађа енергију и субатомске честице, укључујући неутрине. Када фотон или честица светлости напусте сунчеву густу језгру, он се заробљава у врућини и бесу и можда неће достићи нас милионима година. Али соларни неутрино је неизграђено и стиже на земљу за осам минута. (Самуел Веласцо / 5В Инфограпхицс) Канадска опсерваторија Судбури Неутрино потврдила је да неутрино може променити свој идентитет. (СНО) Физичари из Националне лабораторије Броокхавен у Њујорку, приказани овде у лабораторију СТАР детектор, надају се да ће испалити неутрино сноп под земљу до рудника Хоместаке у Јужној Дакоти. (БНЛ) МИНОС детектор неутрина у Минесоти је мета греда неутринова упућених из државе Илиноис. (Фермилаб Висуал Медиа Сервицес) КАТРИН спектрометар, који ће мерити неутринску масу, истиснут кроз Леополдсхафен у Немачкој, на путу ка лабораторији. (Карлсрухе Институте оф Тецхнологи) ИцеЦубе неутрино детектор на Антарктици уграђен је у лед. Са 5000 сензора причвршћених на више од 70 линија, ИцеЦубе ће тражити неутрине који су прошли 8.000 миља кроз планету. (Универзитет Висцонсин-Мадисон) Низ сензора спушта се у рупу дубоку 8000 стопа. (Јим Хауген / Национална научна фондација)
Тражите Неутриносе, Природне честице духова